JP5356777B2 - マグネシウム合金の鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム合金の鍛造方法に関するものである。

自動車を軽量化して、燃費削減、排ガス量低減等を図るために、ホイール、サスペンションアーム等の部品にアルミニウム合金が用いられている。また、さらに自動車を軽量化するために、前記自動車の部品にマグネシウム合金を用いることが検討されている。マグネシウムの比重は１．８であり、アルミニウムの比重が２．７であるのに比較してさらに小さく、現在実用化されている金属材料の中では最も小さいことが知られている。

前記自動車の部品等に用いられるマグネシウム合金は、ほとんどが鋳造材として用いられている。これは、鍛造用マグネシウム合金の素材が入手困難であり、高価であるためであると考えられる。

ところが、マグネシウム合金の鋳造材は、前記自動車の部品等に用いるには、十分な強度が得られないことがある。そこで、鋳造したマグネシウム合金素材を鍛造に用いることが試みられており、例えば、６〜１２重量％のアルミニウムを含むマグネシウム合金の鋳造体を鍛造用マグネシウム合金として用いる技術が知られている（特許文献１参照）。

前記技術において、６〜１２重量％のアルミニウムを含む前記マグネシウム合金としては、例えば、ＪＩＳに規定されるＡＺ８０合金を挙げることができるとされている。前記ＡＺ８０合金は、例えば、アルミニウム８．０重量％、亜鉛０．６７重量％、マンガン０．２１重量％、ケイ素０．０４２重量％、鉄０．００２重量％、銅０．００５重量％、ニッケル０．００１重量％を含み、残部がマグネシウムと不可避的不純物とからなるものである。

前記技術では、前記鋳造体を鍛造成形することにより、前記マグネシウム合金の平均結晶粒径を１００μｍ以下とし、結晶粒が微細化した部材を得ることができるとされている。前記部材は、前記鍛造成形の後、さらにＴ６処理を施すことにより結晶粒界に形成されるパーライト組織が微細となり、かつ析出量も多くなるため、前記結晶粒の微細化との相乗効果として、引張強度や伸び等の機械的特性の大幅な向上を図ることができるとされている。

しかしながら、前記鍛造用マグネシウム合金は、鍛造したときに割れを発生することなく、高精度に型充満することができないとの不都合がある。
特開平６−１７２９４９号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、鍛造したときに割れを発生することなく、高精度に型充満することができ、優れた機械的強度を備える鍛造品を得ることができるマグネシウム合金の鍛造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明のマグネシウム合金の鍛造方法は、全量に対し、６〜１０重量％の範囲のアルミニウムと、０．４〜２重量％の範囲の亜鉛と、０．０５〜０．３重量％の範囲のマンガンと、０．４〜１．５重量％の範囲のカルシウムと残部マグネシウム及び不可避的不純物とからなるマグネシウム合金である鋳造体を１２〜４０℃／秒の範囲の速度で冷却して、樹枝状晶のデンドライトアーム間隔が０．５〜１５μｍの範囲であり、Ｍｇ−Ａｌ金属間化合物からなる晶出物の粒子径が１〜１０μｍの範囲である第１の鍛造用マグネシウム合金素材を形成する工程と、第１の鍛造用マグネシウム合金素材に対して、２５０〜４５０℃の範囲の温度で、２０〜７０％の範囲の加工率の予備加工を施し、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を形成する工程と、第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施す工程とを備えることを特徴とする。

本発明の鍛造方法では、まず、全量に対し、６〜１０重量％の範囲のアルミニウムと、０．４〜２重量％の範囲の亜鉛と、０．０５〜０．３重量％の範囲のマンガンと、０．４〜１．５重量％の範囲のカルシウムと残部マグネシウム及び不可避的不純物とからなるマグネシウム合金である鋳造体を鋳造する。

前記鋳造体は、全量に対し、６〜１０重量％の範囲の量のアルミニウムを含有することにより、鋳造組織を微細化して結晶粒の粗大化を防止し、さらに柱状晶の発達を抑制する効果を得ることができる。前記鋳造体は、前記効果を得るために全量に対し、７〜９重量％の範囲のアルミニウムを含むことが好ましい。アルミニウムの含有量が６重量％未満では、鋳造組織を微細化し、柱状晶の発達を抑制する効果が得られないので好ましくない。また、アルミニウムの含有量が１０重量％を超えると、それ以上に鋳造組織を微細化し、柱状晶の発達を抑制する効果が得られないばかりか、鍛造性を阻害するので好ましくない。

前記鋳造体は、全量に対し、０．４〜２重量％の範囲の量の亜鉛を含有することにより、機械的強度、特に耐力を向上させる効果を得ることができる。前記鋳造体は、前記効果を得るために、全量に対し、０．８〜１．５重量％の範囲の亜鉛を含むことが好ましい。亜鉛の含有量が０．４重量％未満では機械的強度を向上する効果が得られず、２重量％を超えると、伸びが不十分になり鍛造性を阻害するので好ましくない。

前記鋳造体は、全量に対し、０．０５〜０．３重量％の範囲の量のマンガンを含有することにより、粒界にＭｇ−Ｍｎ金属間化合物が析出して、機械的強度を向上する効果を得ることができる。また、前記鋳造体は、粒界にＭｇ−Ｍｎ金属間化合物が析出することにより、高温における機械的強度を向上する効果を得ることもできる。前記鋳造体は、前記効果を得るために、全量に対し、０．１〜０．２５重量％の範囲のマンガンを含むことが好ましい。マンガンの含有量が０．０５重量％未満では、機械的強度を向上する効果が得られず、０．３重量％を超えると晶出物が多くなり鍛造性を阻害するので好ましくない。

前記鋳造体は、全量に対し、０．４〜１．５重量％の範囲の量のカルシウムを含有することにより、粒界にＭｇ−Ｃａ金属間化合物が析出して、機械的強度を向上すると共に、耐クリープ性を向上する効果を得ることができる。また、前記鋳造体は、粒界にＭｇ−Ｃａ金属間化合物が析出することにより、高温における機械的強度及び耐クリープ性を向上する効果を得ることもできる。前記鋳造体は、前記効果を得るために、全量に対し、０．４〜１．５重量％の範囲のカルシウムを含むことが好ましい。カルシウムの含有量が０．４重量％未満では機械的強度及び耐クリープ性を向上する効果が得られず、１．５重量％を超えるとマグネシウム合金溶湯の粘度が増大して鋳造体を得ることが困難になったり、得られた鋳造体に高温割れが発生するので好ましくない。

本発明の鍛造方法では、次に、前記鋳造体を１２〜４０℃／秒の範囲の速度で冷却する。この結果、前記組成を備えると共に、樹枝状晶のデンドライトアーム間隔が０．５〜１５μｍの範囲であり、Ｍｇ−Ａｌ金属間化合物からなる晶出物の粒子径が１〜１０μｍの範囲である第１の鍛造用マグネシウム合金素材を得ることができる。

前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材は、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔が０．５〜１５μｍの範囲であり、前記晶出物の粒子径が１〜１０μｍの範囲であることにより、優れた鍛造性を得ることができ、しかも鍛造したときに優れた機械的強度を備える部材を得ることができる。前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材は、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔が１５μｍを超えるか、前記晶出物の粒子径が１０μｍを超えると、鍛造性が阻害される上、鍛造により得られた部材の機械的強度を向上することができない。また、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材において、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔を０．５μｍ未満とし、前記晶出物の粒子径を１μｍ未満とすることは、技術的に困難である。

ところで、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材は、前記鋳造体を１２〜４０℃／秒の範囲の速度で冷却するだけでは、結晶粒径を十分に小さくすることができない。そこで、本発明の鍛造方法では、次に、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材に対して、２５０〜４５０℃の範囲の温度で、２０〜７０％の範囲の加工率の予備加工を施す。

この結果、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径が微細化された第２の鍛造用マグネシウム合金素材を得ることができる。前記予備加工の温度が２５０℃未満では、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を微細化することができない。また、前記予備加工の温度が４５０℃を超えると、結晶粒が部分的に粗大化したり、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材に高温割れを発生するおそれがある。

一方、前記予備加工の温度が２５０〜４５０℃の範囲であっても、前記加工率が２０％未満であるときには、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を微細化することができない。また、前記予備加工の加工率を７０％を超えるものとすることは、経済的に不利になる。

本発明の鍛造方法では、次に、前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施す。前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材は、前述のように結晶粒径が微細化されているので、鍛造したときに割れを発生することなく、高精度に型充満することができ、優れた機械的強度を備える鍛造品を得ることができる。

また、本発明の鍛造方法において、前記鋳造体は、全量に対し、０．０１〜０．３重量％の範囲のアンチモンまたは０．００６〜０．２重量％の範囲のベリリウムを含むことが好ましい。前記鋳造体は、前記範囲のアンチモンと、前記範囲のベリリウムとを両方とも含んでいてもよく、どちらか一方のみを含んでいてもよい。

前記鋳造体は、前記範囲のアンチモンまたは前記範囲のベリリウムを含むことにより、鋳造体の組織をさらに微細化して、鍛造性及び鍛造により得られた部材の機械的強度を向上することができると共に、マグネシウム合金溶湯の表面酸化を防止して、鋳造体の表面肌を美麗にすることができる。

前記アンチモンの含有量が０．０１重量％未満では、鋳造体の組織をさらに微細化する効果が十分に得られないことがあり、０．３重量％を超えるとＭｇ−Ｓｂ金属間化合物が析出して、鍛造性及び鍛造により得られた部材の機械的強度を十分に向上することができないことがある。また、前記ベリリウムの含有量が０．００６重量％未満では、マグネシウム合金溶湯の表面酸化を十分に防止できないことがあり、０．２重量％を超えるとマグネシウム合金溶湯の粘度が増大して鋳造欠陥が発生しやすくなる。

さらに、本発明の鍛造方法において、前記鋳造体は、全量に対し、１．２重量％以下の範囲のセリウムを含むことが好ましい。

前記鋳造体は、前記範囲のセリウムを含むことにより、結晶粒界に金属間化合物であるＭｇ_９Ｃｅが晶出することにより、高温における機械的強度を向上することができ、特に２５０℃以下の範囲で耐熱性が向上する。前記セリウムは、僅かでも含まれることにより、高温における機械的強度を向上する効果を得ることができるが、含有量が１．２重量％を超えると、それ以上耐熱性を向上する効果が得られないばかりか、前記金属間化合物の晶出が増大して十分な鍛造性が得られなくなることがある。前記セリウムは、希土類金属の混合物であるミッシュメタルとして、前記マグネシウム合金に添加することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の鍛造方法では、まず、全量に対し、６〜１０重量％の範囲のアルミニウムと、０．４〜２重量％の範囲の亜鉛と、０．０５〜０．３重量％の範囲のマンガンと、０．４〜１．５重量％の範囲のカルシウムと残部マグネシウム及び不可避的不純物とからなるマグネシウム合金である鋳造体を鋳造する。

また、前記鋳造体は、全量に対し、０．０１〜０．３重量％の範囲のアンチモンまたは０．００６〜０．２重量％の範囲のベリリウムを含むことが好ましい。前記鋳造体は、前記範囲のアンチモンと、前記範囲のベリリウムとを両方とも含んでいてもよく、どちらか一方のみを含んでいてもよい。

さらに、前記鋳造体は、全量に対し、１．２重量％以下の範囲のセリウムを含むことが好ましい。

本実施形態の鍛造方法では、次に、前記鋳造体を１２〜４０℃／秒の範囲の速度で冷却し、第１の鍛造用マグネシウム合金素材を得る。

次に、前述のようにして得られた第１の鍛造用マグネシウム合金素材における前記鋳造体の冷却速度と、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔（ＤＡＳ）、前記晶出物の粒子径及び結晶粒径との関係を図１に示す。図１から、前記鋳造体を１２℃／秒以上の速度で冷却することにより、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔を１５μｍ以下にすることができると共に、前記晶出物の粒子径を１０μｍ以下とすることができることが明らかである。また、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔と、前記晶出物の粒子径との間には、相関関係があることが明らかである。

一方、図１から、前記鋳造体を１２℃／秒以上の速度で冷却しても、得られた鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を１５０μｍ以下とすることができないことが明らかである。

ここで、前記樹枝状晶のデンドライトアーム間隔は、試料をミクロ研磨した後、金属顕微鏡で１００〜２００倍に拡大して写真撮影し、撮影された画像から樹枝状晶の二次枝の間隔を測定し、その実測値に顕微鏡の倍率を乗じることにより算出した。また、前記晶出物の粒子径及び鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径は、例えば２００〜４００倍のミクロ写真の画像に任意の直線を引き、該直線にかかった晶出物の粒子径または鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径をスケールで測定し、その実測値に該画像の倍率を乗じることにより算出した。

そこで、本実施形態の鍛造方法では、次に、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材に対して、２５０〜４５０℃の範囲の温度で、２０〜７０％の範囲の加工率の予備加工を施すことにより、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を得る。

次に、第１の鍛造用マグネシウム合金素材として、初期結晶粒径がそれぞれ２６５μｍ、２４５μｍ、１５０μｍの３種のマグネシウム合金素材を用意し、各マグネシウム合金素材に対して、４００℃の温度下、１０〜８０％の範囲で加工率を変化させて加工を施し、得られた鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を測定した。結果を図２に示す。図２から、初期結晶粒径の大きさに関わらず、加工率を２０％以上とすることにより、結晶粒径を１０μｍ以下に微細化できることが明らかである。

本実施形態の鍛造方法では、次に、前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施すことにより、最終製品としての鍛造品を得る。

次に、前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材における結晶粒径と引張強度及び伸びとの関係を図３に示す。図３から、前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材、結晶粒径が１０μｍ以下に微細化されていることにより、優れた引張強度及び伸びを備えていることが明らかである。

前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材は前述のように優れた伸びを備えているので、本実施形態の鍛造方法では、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施すことにより、割れを発生することなく、高精度に型充満することができる。従って、本実施形態の鍛造方法では、自動車用ピストン等の自動車や鉄道車両用の複雑な形状を備える部材を、従来よりも少ない工程で容易に製造することができる。

また、前記第２の鍛造用マグネシウム合金素材は前述のように優れた引張強度を備えているので、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施すことにより、自動車用ピストン等の自動車や鉄道車両用の大きな強度の要求される部材を製造することができる。

次に、本発明の鍛造方法の実施例と比較例とを示す。

まず、それぞれ表１に示す組成を備えるマグネシウム合金である鋳造体を鋳造し、得られた鋳造体を１５℃／秒の冷却速度で一方向凝固させることにより、試料１〜１４の第１の鍛造用マグネシウム合金素材を製造した。

次に、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材のうち、試料１〜８については、本発明の鍛造方法の実施例として、４００℃の温度下に２１〜２６％の範囲の加工率で予備加工を施して、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を形成し、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を測定した。結果を表１に示す。

一方、前記第１の鍛造用マグネシウム合金素材のうち、試料９，１１〜１４については、本発明の鍛造方法の比較例として、全く予備加工を施さずに第２の鍛造用マグネシウム合金素材とし、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を測定した。また、試料１０については、本発明の鍛造方法の比較例として、４００℃の温度下に１０％の加工率で予備加工を施して、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を形成し、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を測定した。結果を表１に示す。

表１から、第１の鍛造用マグネシウム素材に４００℃の温度下に、２１〜２６％の範囲の加工率で予備加工を施して、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を形成した試料１〜８（実施例）においては、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径を４〜５μｍの範囲に微細化することができることが明らかである。従って、試料１〜８の第２の鍛造用マグネシウム合金素材（実施例）は、さらに鍛造加工を施すことにより、割れを発生することなく、高精度に型充満することができ、優れた機械的強度を備える鍛造品を得ることができることが明らかである。

一方、表１から、第１の鍛造用マグネシウム素材に４００℃の温度下に、全く予備加工を施さないか、１０％の加工率で予備加工を施して、第２の鍛造用マグネシウム合金素材とした試料９〜１４（比較例）においては、該第２の鍛造用マグネシウム合金素材の結晶粒径が１００〜１３０μｍの範囲であり、該結晶粒径を微細化することができないことが明らかである。

鋳造体の冷却速度と、樹枝状晶のデンドライトアーム間隔（ＤＡＳ）、晶出物の粒子径及び結晶粒径との関係を示すグラフ。 鍛造用マグネシウム合金素材における加工率と結晶粒径との関係を示すグラフ。 鍛造用マグネシウム合金素材における結晶粒径と引張強度及び伸びとの関係に示すグラフ。

符号の説明

なし。

Claims (3)

1. 全量に対し、６〜１０重量％の範囲のアルミニウムと、０．４〜２重量％の範囲の亜鉛と、０．０５〜０．３重量％の範囲のマンガンと、０．４〜１．５重量％の範囲のカルシウムと残部マグネシウム及び不可避的不純物とからなるマグネシウム合金である鋳造体を１２〜４０℃／秒の範囲の速度で冷却して、樹枝状晶のデンドライトアーム間隔が０．５〜１５μｍの範囲であり、Ｍｇ−Ａｌ金属間化合物からなる晶出物の粒子径が１〜１０μｍの範囲である第１の鍛造用マグネシウム合金素材を形成する工程と、
   前記工程で得られた第１の鍛造用マグネシウム合金素材に対して、２５０〜４５０℃の範囲の温度で、２０〜７０％の範囲の加工率の予備加工を施し、第２の鍛造用マグネシウム合金素材を形成する工程と、
   第２の鍛造用マグネシウム合金素材に対して鍛造加工を施す工程とを備えることを特徴とするマグネシウム合金の鍛造方法。
2. 請求項１記載のマグネシウム合金の鍛造方法において、前記マグネシウム合金である鋳造体は、全量に対し、０．０１〜０．３重量％の範囲のアンチモンまたは０．００６〜０．２重量％の範囲のベリリウムを含むことを特徴とするマグネシウム合金の鍛造方法。
3. 請求項１または請求項２記載のマグネシウム合金の鍛造方法において、前記マグネシウム合金である鋳造体は、全量に対し、０重量％を超え１．２重量％以下の範囲のセリウムを含むことを特徴とするマグネシウム合金の鍛造方法。

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